Comment se forme une tornade : cisaillement, courant en rotation et ce qu’on ignore encore

La réponse courte : cisaillement, tube incliné et courant en rotation

Partons d’un orage dans une atmosphère où le vent change avec l’altitude. La NOAA donne un exemple : au niveau du sol, freiné par le frottement avec la surface, le vent souffle du sud-ouest à 5 mph (8 km/h), mais à 5 000 pieds (environ 1 500 m) au-dessus du même endroit il souffle du sud-est à 25 mph (40 km/h). Cette différence, appelée cisaillement du vent, fait tourner horizontalement un tube d’air invisible, comme un rouleau à pâtisserie posé sur le côté.

Ensuite, l’air ascendant de l’orage, son courant ascendant, incline ce tube en rotation de l’horizontale à la verticale, si bien que la zone de rotation s’étend sur une grande partie de l’orage. Un courant ascendant en rotation de ce type est la clé d’une supercellule, et la circulation en rotation que le radar voit à l’intérieur s’appelle un mésocyclone. Quand le courant ascendant tourne et qu’il est alimenté par de l’air chaud et humide qui arrive au niveau du sol, une tornade peut se former.

Une tornade n’est donc qu’une toute petite partie de l’énergie d’un orage. La NOAA note que les tornades ne représentent qu’une petite fraction de l’énergie d’un orage, et que ce qui les rend dangereuses, c’est que cette énergie est concentrée sur une petite surface, peut-être seulement cent yards (environ 90 m) de large. Quand l’entonnoir est rendu visible par la condensation de gouttelettes d’eau, de poussière et de débris, il ressemble à un tube suspendu au nuage.

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Ce que les scientifiques ne savent pas encore

Le Laboratoire national des tempêtes violentes de la NOAA est franc : la façon dont se forment les tornades n’est pas entièrement comprise. Pourquoi une supercellule produit-elle une tornade alors qu’un orage voisin d’apparence identique n’en produit pas ? Seulement environ 20 % des supercellules le font réellement. Des théories récentes issues du programme de recherche VORTEX2 suggèrent qu’une fois qu’un mésocyclone est en place, le développement de la tornade est lié aux différences de température sur le bord de l’air descendant qui s’enroule autour de lui.

Mais les modèles mathématiques montrent qu’une tornade peut aussi se former sans ces configurations de température, et très peu de variations de température ont été observées près de certaines des tornades les plus destructrices de l’histoire, le 3 mai 1999. Le rôle des courants descendants et de la répartition de la température et de l’humidité dans les premiers instants de la tornade, la tornadogenèse, est toujours à l’étude, tout comme d’autres sources de circulation.

Toutes les tornades ne viennent pas de supercellules. Près de 20 % sont associées à des lignes d’orages violents appelées systèmes convectifs quasi linéaires (QLCS), qui frappent fréquemment en fin de nuit et tôt le matin et ont tendance à être plus faibles et de plus courte durée. Une trombe terrestre (landspout) est une tornade à l’entonnoir étroit en forme de corde, qui se forme pendant que le nuage d’orage grandit encore et qu’il n’y a pas de courant ascendant en rotation : la rotation commence donc près du sol. Une trombe marine est semblable, mais au-dessus de l’eau. La NOAA dit que les dégâts de ces types sont généralement EF2 ou moins.

Quelle force, quelle taille, quelle durée : l’échelle EF

Le vent à l’intérieur d’une tornade est difficile à mesurer, car les fortes tornades détruisent les instruments. C’est pourquoi, depuis 2007, le Service météorologique national les classe selon l’échelle de Fujita améliorée (EF), qui estime la vitesse du vent à partir des dégâts. Elle utilise 28 indicateurs de dommages, tels que types de bâtiments, structures et arbres, chacun avec 8 degrés de destruction. Les catégories et leurs rafales estimées sur 3 secondes sont : EF0, de 65 à 85 mph (105 à 137 km/h) ; EF1, de 86 à 110 mph (138 à 177 km/h) ; EF2, de 111 à 135 mph (179 à 217 km/h) ; EF3, de 136 à 165 mph (219 à 266 km/h) ; EF4, de 166 à 200 mph (267 à 322 km/h) ; et EF5, plus de 200 mph (plus de 322 km/h).

Le vent le plus fort mesuré par un radar Doppler mobile dans une tornade était de 318 mph (environ 512 km/h), au-dessus du niveau du sol, le 3 mai 1999 près de Bridge Creek et de Moore, en Oklahoma. La NOAA dit que les dégâts d’une tornade viennent des vents violents et des débris projetés ; la plus grande menace pour les personnes est d’être frappées par des débris et projetées. On ne croit plus à l’ancienne idée selon laquelle la basse pression ferait « exploser » les bâtiments.

La plupart des tornades ne durent pas longtemps. La NOAA indique qu’une tornade typique se déplace à environ 10 à 20 mph (16 à 32 km/h), bien que certaines soient presque immobiles et d’autres dépassent 60 mph (environ 100 km/h). Le temps passé au sol va d’un instant à plusieurs heures, avec une moyenne d’environ cinq minutes.

Où et quand les tornades se produisent

Environ 1 200 tornades frappent les États-Unis par an. La NOAA prévient que ce n’est qu’une estimation, car les relevés officiels ne remontent qu’à 1950 et les méthodes de détection et de signalement ont changé. Des tornades ont été signalées dans les 50 États. Elles se produisent aussi en Australie, en Europe, en Afrique, en Asie et en Amérique du Sud ; deux des plus fortes concentrations hors des États-Unis sont l’Argentine et le Bangladesh, et même la Nouvelle-Zélande en signale environ 20 par an.

L’« allée des tornades » est un surnom inventé par les médias pour une vaste zone de forte occurrence de tornades dans le centre des États-Unis, et la NOAA dit que l’idée peut être trompeuse. La menace se déplace du Sud-Est pendant les mois frais vers les plaines du sud et du centre en mai et juin, puis vers les plaines du nord et le Midwest en début d’été, et des tornades violentes ont lieu chaque année en dehors de l’allée.

Le pic de saison pour les plaines du sud, comme le Texas, l’Oklahoma et le Kansas, va de mai au début de juin ; sur la côte du Golfe, il est plus tôt, au printemps, et dans les plaines du nord, il a lieu en juin ou en juillet. Mais des tornades peuvent frapper à toute époque de l’année et à toute heure du jour ou de la nuit, même si la plupart se produisent entre 16 h et 21 h.

Veille, alerte et ce que conseillent les services officiels

Les prévisionnistes peuvent dire quand les conditions sont réunies, mais pas exactement où. La NOAA explique que les tornades ne peuvent être prévues que dans une mesure limitée : il n’est pas encore possible de dire à l’avance exactement quand et où l’une d’elles se développera, quelle sera sa force ni quelle trajectoire elle suivra. Une veille de tornade signifie que les conditions sont favorables aux tornades : surveillez et préparez-vous. Une alerte tornade signifie qu’une tornade a été signalée par des observateurs ou indiquée par le radar et qu’il y a une menace sérieuse pour la vie : agissez maintenant et trouvez un abri sûr.

Ready.gov énumère les signes d’une tornade : un nuage en forme d’entonnoir en rotation, un nuage de débris qui approche ou un fort grondement comme celui d’un train de marchandises. Pendant une tornade, allez aussitôt à l’endroit sûr que vous avez repéré : une pièce sécurisée construite selon les critères de la FEMA ou un abri anti-tempête construit selon les normes ICC 500. La meilleure protection suivante est une petite pièce intérieure sans fenêtre ou un sous-sol, au niveau le plus bas d’un bâtiment solide. Protégez-vous en vous couvrant la tête et la nuque avec les bras et en plaçant meubles et couvertures autour ou au-dessus de vous ; restez loin des fenêtres, des portes et des murs extérieurs.

Dans une voiture ou une camionnette, dit Ready.gov, il n’y a aucune option sûre, seulement des options un peu moins dangereuses. Si la tornade est visible, lointaine et que la circulation est fluide, vous pouvez peut-être la quitter en vous éloignant à angle droit de sa trajectoire. Si vous êtes pris par des vents extrêmes ou des débris, arrêtez-vous aussi vite et aussi prudemment que possible hors des voies de circulation, restez dans la voiture, ceinture attachée, baissez la tête sous les vitres et couvrez-la. Si vous pouvez vous placer nettement plus bas que la route, quittez la voiture et allongez-vous là, la tête protégée. Évitez de vous abriter sous les ponts. Inscrivez-vous au système d’alerte de votre commune et apprenez le son de la sirène.

Comment le VJOURNAL SMART BOOK le montre

Le chapitre « Ouragans et tornades » du SMART BOOK gratuit « Tout sur tout », tome II, sur VITON13 SCHOOL comporte cinq courts moments. Les trois premiers suivent un ouragan, de l’eau de mer chaude à l’œil et aux cinq catégories. Le quatrième, « Dans la supercellule », montre comment l’air chaud et humide rencontre des vents changeants et redresse un tube d’air en rotation, et comment l’échelle EF classe une tornade d’après les dégâts qu’elle cause ; le dernier montre comment on suit les tempêtes et où s’abriter. À côté du texte, une image 3D vivante que vous pouvez faire tourner du doigt ou à la souris.

Sous l’image se trouve un bac à sable où l’on saisit une vitesse de vent et lit la catégorie de l’ouragan, une façon rapide de sentir à quel point la vitesse du vent diffère d’une tempête à l’autre. Le chapitre se termine par trois faits et un quiz de trois questions, et chaque chiffre provient des sources citées plus bas.

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• Chapitre du SMART BOOK : Ouragans et tornades ↗

En mots simples

Tenez un crayon entre vos paumes et faites glisser une main vers l’avant et l’autre vers l’arrière : le crayon tourne sur le côté. C’est le cisaillement du vent qui fait tourner un tube d’air près du sol. Imaginez maintenant une colonne d’air chaud qui monte dans un orage et pousse le milieu de ce tube en rotation, le mettant debout comme un crayon sur sa pointe. Une tornade, c’est la partie étroite de cette colonne qui tourne le plus vite quand elle descend jusqu’au sol.

Leçons associées

• Ouragans expliqués : comment se forme un ouragan, pourquoi il tourne et ce qu’est l’œil ↗